차세대 소재 각광받는 '그래핀'…친환경 생산법 개발(05.13)

김수영 중앙대 교수·이종람 포스텍 교수, 식각용액 재활용 구리촉매 제작

상용화 기판보다 결함 적고 표면 균일…재활용 횟수 상관없어 경제성까지

▲ 재사용 구리 전기 도금 방법에 대한 모식도. 유리 기판 위에 인듐-주석 산화물 50 나노미터를 전기흐름 층으로 사용, 전기도금을 

시작했다. 그 다음 구리 층을 50 나노미터 증착, 전기도금이 잘 일어날 수 있도록 조정했고, 그래핀 합성 후 사용된 식각용액을 모아

서 전기도금에 사용되는 전해질로 구리 이온이 포함된 황산구리 용액을 사용했다. 일정량의 전기를 가해준 뒤 인듐-주석 산화물로

부터 얇은 구리 호일을 떼어내 그래핀 합성에 사용했다. <이미지=미래부>

차세대 전자소자 소재로 주목받는 그래핀의 친환경적 생산법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 중견연구자지원사업(핵심연구)을 지원받은 김수영 중앙대 화학신소재공학부 교수와 이종람 포스텍 신소재공학과 교수가 그래핀 합성 후 버려지는 구리 식각용액을 전기도금해 재사용하는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다.

그래핀은 뛰어난 전기전도도와 투과도, 강한 기계적 내성 덕분에 지난 10년 간 ITO(인듐주석산화물)을 대체할 투명전극 신소재로 주목받았다. 그래핀을 얻기 위해서는 화학증기증착법이 주로 이용되는데, 이는 구리촉매 기판 위에서 메탄과 수소 반응을 통해 합성시키는 방법이다.

이후 구리촉매 기판에서 그래핀을 분리하는 작업이 필요한데, 이때 사용되는 구리 이온이 들어간 식각용액은 중금속이 들어간 만큼 폐기시 화학처리가 필수다.

연구진은 사용된 구리 식각용액을 구리촉매 기판 합성을 위한 전해질로 재사용하는 방안을 고민했다. 중금속이 함유된 식각용액 재사용을 통해 환경 문제와 경제성 문제를 한 번에 해결할 수 있기 때문이다.

연구진은 식각용액인 암모늄퍼설페이트 용액을 모아 전기도금 전해질 용액으로 재사용해 재사용구리 기판을 제작했다. 이렇게 제작된 구리기판을 분석한 결과, 상용화 구리 기판에서 관찰된 다양한 결함이 없었고 그래핀 합성에 큰 영향을 미치는 표면 거칠기가 상당히 균일한 것으로 확인됐다.

특히 횟수에 상관 없이 재활용된 구리촉매 기판에서 그래핀이 성공적으로 합성됐으며, 이를 투명전극으로 이용한 유기발광 다이오드, 유기 태양전지에서 각각 ITO 대비 103%의 발광효율과 98%의 광전변환효율을 나타냈다.

김수영 중앙대 교수는 "전기도금으로 만들어진 구리촉매 기판은 그래핀의 육각형 구조와 비슷한 결정모양을 많이 포함하고 있어 그래핀 합성 촉매로 뛰어나다"면서 "그래핀 합성 후 폐기해야 하는 구리 식각용액의 재활용 방안을 제시하고 또한 이를 이용해 그래핀 합성 단가를 낮춤으로써 향후 ITO를 대체할 그래핀 응용소자 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 김 교수와 이 교수가 주도했으며, 중앙대 화학신소재공학부 석사과정 권기창 연구원(제 1저자), 포스텍 신소재공학과 박사과정 연구원 함주영, 김성준 박사가 수행했다. 결과는 4월 29일 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트' 온라인판에 게재됐다.

▲ 상용화 구리 호일과 재사용된 구리호일의 표면 거칠기 사진. 평소 그래핀을 합성할 때 사용한 구리호일(a), 첫 번째로 전기 도금

된 구리호일(b), 두 번째로 전기 도금된 구리호일(c), 세 번째로 전기 도금된 구리호일(d).